【精选论文】上海大学罗群研究员和重庆大学李谦教授“储能与节能材料团队”：镁合金等温时效析出热力学和动力学

文章引用：

Chen H, Sun J, Yang S, et al. Thermodynamics and kinetics of isothermal precipitation in magnesium alloys. MGE Advances. 2025; e86.

https://doi.org/10.1002/mgea.86

文章摘要

镁合金作为最轻的结构金属材料，在航空航天、轨道交通、汽车等领域具有巨大的应用前景。但常用的铸造镁合金强度低，限制了镁合金在关键结构部件的应用推广。等温时效是提高镁合金强度和其他性能的有效途径。面对极其复杂的析出过程，析出相的晶体结构、析出序列以及析出热力学和动力学行为引起了广泛的关注。本文从热力学和动力学的角度综述了镁合金的等温析出过程，从热力学上讨论了析出相的稳定性、形核驱动力和析出阻力。在动力学方面，总结了各种动力学理论，包括半经验模型、平均场模型、相场模型和原子理论模型及其在描述镁合金析出过程中的应用。最后，介绍了基于析出动力学的性能预测框架，以说明集成计算材料工程（ICME）在设计先进镁合金中的应用。

文章简介

文章重点介绍了镁合金中等温析出的热力学和动力学及其在性能预测方面的应用。如图1所示，在“成分-时效工艺-组织-性能”关系的框架内对时效镁合金的性能演变进行预测。基于DFT和CALPHAD方法建立的亚稳相析出热力学提供了析出相的热力学稳定性、形核驱动力、形核阻力等信息，确定了析出行为发生的热力学基础。析出动力学模拟基于热力学驱动力和析出相的形核长大模型，获得析出相种类、尺寸、体积分数、数密度和基体溶质浓度等微观组织参数在时效过程中的演变规律。最后，微观组织相关的性能预测模型结合析出动力学输出的参数实现镁合金时效过程中的“成分-时效工艺-组织-性能”全链条预测。在图1所示的框架下，首先对不同镁合金体系的析出相和析出过程进行了概述，并对部分镁合金的时效序列进行了总结。镁合金的析出过程受成分、时效工艺、应力状态等多种因素的影响，图2显示了预测的Mg-Gd-Y合金析出序列受成分的影响规律，不同的Gd、Y含量会导致析出序列以及最终形成的稳定相的差异。

图1 用于镁合金析出和性能预测的集成计算材料工程（ICME）框架。

图2 预测的Mg-Gd-Y体系的时效析出序列。析出热力学方面，主要关注析出相的稳定性、形核驱动力和形核阻力。

图3为体系Gibbs自由能变化与析出相半径的关系以及析出相形核驱动力示意图。析出相的形核过程受形核驱动力和形核阻力（界面能和应变能）的共同影响，形核驱动力主要由析出相的Gibbs自由能决定。当确定了不同析出相的形核驱动力和形核阻力后，可实现析出序列的热力学预测（图2）。然而，由于析出相的纳米尺度和亚稳特性，析出相的热力学描述以及界面能和应变能仍缺乏准确的评估方法。

图3 (a)均匀形核时Gibbs自由能变化与形核半径的关系示意图，(b)合金成分为x₀时的析出相形核驱动力示意图。析出动力学方面，概述了Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK)模型、Austin and Ricket (A-R)方程、Kampmann-Wagner numerical (KWN)模型、相场模拟和Kinetic Monte-Carlo (KMC)方法在镁合金析出动力学模拟中的应用。其中JMAK模型和A-R方程适用于析出过程简单的体系（如Mg-Al体系），A-R方程相较于JMAK模型更适用于析出型的相变动力学模拟。相场能够实现析出相在三维空间内的形核、生长和转变行为模拟，但可获得的长度和时间尺度仍然有限，且研究大量析出相以获得统计数据需要较多的计算资源。KMC方法主要适用于研究G.P.区的析出动力学行为。KWN模型基于经典形核和长大理论，能够获得析出相尺寸、体积分数和数密度等介观尺度参数随时效时间的演变，具有较大的潜力用于建立镁合金时效过程中的“成分-时效工艺-组织-性能”定量关系。

图4为采用KWN模型模拟的Mg-Zn体系析出相体积分数、尺寸、基体溶质含量随时效时间的演变行为以及析出过程的TTT曲线。但对于存在析出相原位转变的体系（如Mg-RE），现有的KWN模型仍不能进行准确模拟。

图4 采用KWN模型计算的Mg-1.7 at.% Zn合金中析出相的演变行为：(a)体积分数，(b)尺寸，(c) Mg基体中的溶质含量，(d) TTT曲线。为了实现镁合金时效过程中的性能预测，建立镁合金时效过程中的“成分-时效工艺-组织-性能”定量关系。本文介绍了微观组织相关的性能模型（如屈服强度模型和热导率模型）与析出动力学模拟结合的应用现状。图5为预测的时效过程中屈服强度和热导率的变化。然而，由于缺乏其他性能（如腐蚀速率）与微观结构之间的定量关系，析出动力学模型无法应用于这些性能的预测。因此，建立时效镁合金的性能预测模型对于时效过程中的性能预测至关重要，而建立时效合金性能的定量预测模型应当考虑析出相种类、尺寸、数密度、体积分数、基体成分等对性能的影响规律。

图5 基于KWN模型的时效过程中屈服强度和热导率演变预测。总体来说，基于平均场理论的KWN模型具有较大的潜力用于建立镁合金时效过程中的“成分-时效工艺-组织-性能”定量关系。但在各个环节中仍存在一些问题需要被解决：首先，准确建立亚稳析出相的热力学描述是必不可少的。析出相的热力学描述不仅为后续的动力学计算提供了驱动力参数，而且为评价析出相在不同时效温度下的相变和稳定性提供了依据。其次，亚稳析出相的转变及其动力学模型的研究至关重要。这包括了解后续析出相的形成机制，转变过程中的结构和能量变化，转变的临界条件，以及建立准确描述析出相转变的动力学模型。最后，需要建立性能与微观结构之间的定量关系，这决定了析出动力学模型能否准确地进行性能预测。

作者介绍

通讯作者

罗群，上海大学研究员/博导、国家自然科学基金优青项目获得者。研究方向为基于相变热/动力学计算的铸造铝/镁合金设计。在Adv. Mater.、J. Magnes. Alloy.、J. Mater. Sci. Technol.、Scripta Mater.等期刊发表论文90余篇，热点论文2篇，ESI高被引9篇；获国际镁合金科学与技术奖·年度青年奖、中国有色金属工业科学技术一等奖，入选World TOP 2% Scientists（2023、2024年）、中科协青年人才托举工程，担任中国材料研究学会理事、JMA、RM、MGE Advances、JMI、IJMMM、有色金属学报等期刊青年编委。

李谦，重庆大学教授/博导、国家高层次人才特聘教授、国家镁合金材料工程技术研究中心副主任、中国有色金属学会常务理事及轻合金材料专业委员会主任委员；任J. Mater. Sci. Technol、J. Magnes. Alloy、Int. J. Min. Met. Mater.、J. Mater.、J. Mater. Inf.、Innov. Energy、《中国有色金属学报（中英文版）》等期刊副主编或编委。研究方向包括合金热力学和动力学、低成本高密度高安全固态储氢、高强韧高品质铝合金铸件设计。在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Acta Mater.、J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表论文400余篇，引用12000余次，H因子62，入选爱思唯尔高被引学者、全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。

第一作者陈洪灿，上海大学材料科学与工程学院博士研究生，导师为罗群研究员，研究方向为Mg-Gd-Y合金等温析出热力学与动力学。作为主要研究人员参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目，在J. Mater. Sci. Technol.、Scr. Mater、J. Alloy. Compd.等期刊发表SCI论文9篇，获得国家奖学金两次。

来源：MGEA编辑部 MGE Advances 材料基因工程前沿